中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近日，iChEM 研究人員、復(fù)旦大學(xué)王永剛教授及其研究小組采用一種簡(jiǎn)單的預(yù)鋰化方法，構(gòu)筑了Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池體系，其表現(xiàn)出高功率、長(zhǎng)壽命和良好的低溫性能。相關(guān)的研究成果以“A Simple Pre-lithiation Strategy to Build High-Rate and Long-life Lithium-ion Battery with Improved Low-temperature Performance” 為題于2017年11月14日在線發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》 (Angewandte Chemie International Edition, 2017, DOI：10.1002/anie.201710555)。
近年來(lái)，以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車正在迅速發(fā)展。然而，眾所周知，鋰離子電池的性能隨著溫度的降低而迅速下降。這將大大限制電動(dòng)汽車在冬季或一些高寒地區(qū)的應(yīng)用。前期的研究表明，除了電解液在低溫下的低離子電導(dǎo)，基于石墨負(fù)極的常規(guī)鋰離子電池的低溫性能還被低溫下鋰離子進(jìn)出石墨過(guò)程的脫溶劑/溶劑化所限制。針對(duì)這一問(wèn)題，該課題組采用預(yù)鋰化的硬碳負(fù)極取代傳統(tǒng)的石墨負(fù)極，并和磷酸釩鋰 (Li2V2(PO4)3)正極結(jié)合構(gòu)成了一個(gè)新的電池體系。
圖1 Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池的電化學(xué)性能
近年來(lái)，預(yù)鋰化硬碳(Prelithiated hard carbon)已經(jīng)應(yīng)用于混合型鋰離子電容器，并表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。然而，預(yù)鋰化工藝復(fù)雜、成本高，其涉及到純鋰電極的使用，存在安全隱患。在這一研究中，研究人員巧妙地利用了Li3V2(PO4)3正極材料的多步脫鋰過(guò)程, 實(shí)現(xiàn)了硬碳的預(yù)鋰化。在首次充電過(guò)程中，鋰離子從正極脫出形成Li2V2(PO4)3，同時(shí)脫出的鋰離子會(huì)嵌入到硬碳負(fù)極，并形成了預(yù)鋰化的硬碳負(fù)極(LixC)。隨后，Li2V2(PO4)3與LixC構(gòu)成了一個(gè)鋰離子電池體系。當(dāng)在3.5 之4.3V充放時(shí)候(圖1)，該電池表現(xiàn)出類似超級(jí)電容器的高功率和長(zhǎng)壽命。此外，雖然使用了常規(guī)的電解液LB303，該電池表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫性能。在零下40攝氏度時(shí)，其的容量能夠保持常溫容量的67%，遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的鋰離子電池。這主要得益于納米碳包覆Li2V2(PO4)3正極材料自身良好的低溫性能和預(yù)鋰化硬碳負(fù)極在低溫下的相對(duì)快速的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。然而值得注意的是，該電池體系中只利用了Li3V2(PO4)3的部分容量，能量密度有限，比較適合用作起停電池。此外，隨著溫度降低，電解液的離子電導(dǎo)迅速下降，增加了電池內(nèi)阻，因此，該電池在低溫下表現(xiàn)出明顯的極化。在后續(xù)研究中，還需要進(jìn)一步開發(fā)高性能低溫電解液，用于提升這種電池在低溫下的電化學(xué)性能。
圖2 Li2V2(PO4)3//LixC鋰離子電池的低溫性能
該工作由復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系二年級(jí)博士生劉瑤、二年級(jí)碩士生陽(yáng)秉昌共同完成。該研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委（21622303)等相關(guān)項(xiàng)目的資助。
